cours « matériaux et applications

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Cours

« Matériaux et Applications »

SMC, S6

Année universitaire 2019/2020

Responsable: Pr.Mohamed DOUMA

Plan

I- Introduction sur les matériaux.

II- les différentes classes de matériaux

II-1 Les matériaux métalliques.

II-2 Les matériaux céramiques.

II-2-1 les céramiques traditionnelles et techniques.

II-2-2 les verres.

II-2-3 Les ciments et liants.

II-3 Les matériaux polymères.

II-4 Les matériaux composites.M.DOUMA

Matériaux et Applications (2019/2020)2

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I- Introduction sur les Matériaux

Historique

� Les matériaux occupent dans notre société une place beaucoup plusimportante que nous pourrions le croire à première vue. Que ce soit enmatière de transport, de logement, de vêtements, de communications, deloisirs ou de production alimentaire, presque toutes nos activitésquotidiennes sont liées d’une façon ou d’une autre à la présence desmatériaux.

� Les premiers hommes ne connaissaient qu’un nombre très restreint dematériaux, soit ceux qu’ils trouvaient à l’état brut : pierre, bois, argile, etc. Ilsont graduellement appris à fabriquer de nouveaux matériaux, comme lapoterie et différents métaux, qui étaient dotés de propriétés supérieures àcelles des matériaux bruts. Puis, ils ont compris qu’ils pouvaient modifier cespropriétés grâce à un traitement thermique ou à l’ajout de divers produits.

M.DOUMA Matériaux et Applications (2019/2020)

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La matière première, le matériau et le matériel ?

� Une matière première est une substance d’origine naturelle qui subit unetransformation (les arbres sont des matières premières pour produire des planchesen bois ou du papier).

On obtient un matériau en transformant une matière première.� Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme

façonne pour en faire des objets. Donc c’est une matière de base sélectionnée enraison de propriétés particulières et mise en œuvre en vue d'un usage spécifique.

Métaux Céramiques Polymères (plastique) Le verre

� Un matériel est un objet, un instrument, un outil ou une machine qu’onutilise pour extraire ou transformer des matières premières, ou pourfabriquer des produits.

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La science des matériaux

La science des matériaux a pour objet d’étudier les relations entre les structures etles propriétés des matériaux.

Structure d’un matériau: correspond généralement à la façon dont s’organisent seséléments constitutifs (disposition des atomes et des molécules les uns par rapportaux autres).

Propriété des matériaux : Une propriété constitue une caractéristique correspondantau type et à l’ampleur des réactions d’un matériau exposé à un agent déterminé.

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1/ Matériaux classés selon leur origine� Matériaux naturels� Matériaux artificiels

2/ Matériaux classés selon leur nature:� Céramiques� Composites� Métaux et alliages� Polymères

3/ Matériaux classés selon leurs applications� Composants électroniques� Isolants électriques� Isolants thermiques� Matériaux réfractaires

Critères de classification des matériaux


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Liaisons chimiques:

Liaisons fortes:

� Liaison covalente: Elle est assurée parla mise en commun de deux électrons pourcompléter la couche externe de chaque atome.Elle apparaît entre deux atomes de non métaux(liaison assurée par des électronsde la bande de valence).Exemple: La molécule de dichlore Cl2.

� Liaison ionique: Elle est assurée par letransfert d’un électron d’un atome à l’autre.Elle apparaît entre un atome d’un métalet un atome d’un non-métal.Après leur liaison, les deux atomes deviennentdes ions chargés électriquement.Exemple: Le chlorure de sodium NaCl.

Critères de classification des matériaux

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�Liaison métallique: Elle est assurée par la miseen commun d’électrons de la couchepériphérique; le « gaz » constitué par cesélectrons libres et délocalisés assure la cohésionde l’ensemble des cations restants.Elle apparaît entre les éléments d’une massed’atomes métalliques (liaison assurée par lesélectrons de la bande de conduction).Les électrons de la liaison métalliquesont mobiles et disponibles pour assurer lacirculation éventuelle d’un courant électrique.Exemple: Cristal de sodium Na.

Liaisons faibles ou liaisons secondaires

� Liaisons de Van der Waals entre macromolécules dans un polymère.� Liaisons-hydrogène entre molécules d’eau H2O dans la glace.

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Propriétés recherchées des matériaux :

� Les propriétés mécaniques qui reflètent le comportement des matériaux déforméspar un ensemble de forces.

Exemple: élasticité, plasticité, résistance à la rupture, ténacité, dureté, résistance àl'usure, tenue à la fatigue, au fluage, etc.

� Les propriétés physiques qui mesurent le comportement des matériaux soumisà l’action de la température, des champs électriques ou magnétiques ou dela lumière.

Exemple: conductibilité électrique, thermique, ionique, coefficients de dilatationthermique, indice de réfraction, magnétique (ferro, para, ferrimagnétique), etc.

� Les propriétés chimiques qui caractérisent le comportement des matériauxdans un environnement réactif.

Exemple: résistance à l'oxydation, à la corrosion, stabilité, durabilité, etc.

Performances recherchées des matériaux:

Reproductibilité, fiabilité, durabilité, efficacité, coût, absence de nocivité, capacité de recyclage, etc.

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II- Les différentes classes des matériaux

Les propriétés d’usage, qu’elles soient mécaniques ou physico-chimiques, sontliées à la nature des liaisons chimiques entre les atomes constituants le matériau.C’est à partir de cette distinction que les grandes familles de matériaux ont étéétablies.

� Matériaux métalliques: Ce sont les métaux purs et leurs mélanges, ou alliages,comportant essentiellement des liaisons métalliques.

� Matériaux organiques: Ce sont les matériaux d’origine biologique, lespolymères et élastomères de synthèse, comportant des liaisons covalentes et desliaisons faibles.

� Matériaux inorganiques: Ce sont les roches, oxydes, verres minéraux,céramiques comportant des liaisons ioniques et/ou des liaisons covalentes.

� Matériaux composites: Ils associent de manière structurée à fine échelle desmatériaux différents, appartenant éventuellement à des classes différentes parmiles trois précédentes.

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Les grandes familles des matériaux

Ex: Fils d’acier + caoutchouc (pneumatique)

Ex: Fibre de verre + polysetersFibre de carbone + époxyde

Ex: Béton armé

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Quels sont les différents matériaux qui entrent dans la fabrication d´une voiture?


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Influence de la structure sur les propriétés d’un matériaux

Le carbone

Diamant Graphite

le diamant est le plus dur des minéraux connus de l'homme (10 sur l’échelle de Mohs).

le graphite est un des plus mou (moins de 1 sur l'échelle de Mohs)

Le diamant est l'abrasif ultime. Le graphite est un excellent lubrifiant.

Le diamant est un isolant électrique . Le graphite est un bon conducteur d'électricité

Le diamant est généralement transparent. Le graphite est opaque.

Le graphite est si bon marché qu'il est utilisé pour faire des mines de crayon.Le graphite est la composante à haute résistance dans les matériaux composites utilisés pour construire des automobiles, des avions, des clubs de golf high-tech et des raquettes de tennis.

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Pourquoi le diamant est-il si dur et le graphite si doux? Et si le graphite est si doux,

comment peut-il être utilisé comme un matériau high-tech pour des club de golf et

des avions?

�Les atomes sont très serrés, et chaque atome est relié de manière tétraédrique àquatre autres atomes de carbone, donnant ainsi une structure tridimensionnellesolide et rigide au diamant.�Les liaisons chimiques qui permettent une telle structure sont extrêmementsolides et résultent de la mise en commun d’électrons, il s’agit des liaisonscovalentes.

Structure du Diamant

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� Des feuillets parallèles d’atomes de carbone, agencés entre eux à la manière d’unhexagone.� Au sein d’un même feuillet, chaque atome de carbone est lié à trois autres par desliaisons covalentes fortes.� Les électrons qui ne sont pas mobilisés par ces liaisons (un par atome de carbone)sont engagés dans des liaisons bien plus faibles, de type van der Waals et qui lientles feuillets entre eux.� De ce fait, les feuillets ne sont pas aussi bien « attachés » que les atomes, si bienqu'ils peuvent glisser les uns par rapport aux autres.

Structure du Graphite

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Cycle des matériaux

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Le marché des matériaux est guidé par une triple exigence:

� L'optimisation des procédés de mise en œuvre en favorisant:- les procédés les moins polluants et les moins consommateurs d'énergie- les produits biodégradables ou facilement recyclables

� L'optimisation des produits existants, c'est-à-dire l'amélioration de leursperformances en vue d'une application donnée.

� Le développement de matériaux nouveaux qui seront utilisés pour lestechnologies de demain:- des matériaux nanostructurés sont développés tant dans le domaine de la

micro-électronique, de la photonique que dans celui de la mécanique.- Les biomatériaux (ou matériaux pour la santé) sont l'objet d'une intense

activité de développement,- les matériaux intelligents sont introduits en aéronautique


II-1 Les matériaux métalliques

Les matériaux métalliques résultent de l’association de divers métaux. Ilsrenferment un grand nombre d’électrons délocalisés, c'est-à-dire des électrons quine sont pas liés à un atome particulier.

De nombreuses propriétés des métaux sont directement attribuables à la présencede ces électrons:� Excellents conducteurs d’électricité et de chaleur,� Ils sont à la fois résistants et déformables, ce qui explique leur utilisation si

répandue dans la construction et de charpentes.

Un alliage est un assemblage de plusieurs métaux ou d’un métal et d’un ouplusieurs éléments dans le but de modifier les propriétés du métal de base.Exemples:

� Cuivre + Zinc (Les laitons): alliages jaunes très ductiles et malléables.Rôle du zinc: abaisse la température de fusion de l’alliage ainsi que sa conductivitéélectrique, mais en augmente la dureté et la résistance mécanique.� Or + (Ag,Cu): alliage de bijouterie.Rôle de l’Argent et le Cuivre: amélioration des propriétés mécaniques et de lacouleur.

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• Acier: 700 à 800

• Aluminium: 47

• Cuivre: 13,5

• Nickel: 1

Production mondiale annuelle

(millions de tonnes)

• Bonnes propriétés mécaniques

• Conductibilité électrique et thermique

• Abondance et cout

• Adaptabilité

Avantages

• Corrosion

• Densité élevée pour la plupart (Al 2,7- Ti 4,5 - Fe 7,9 – U 18,9 )

• Mauvaise tenue aux hautes températures

Inconvénients

Caractéristiques des matériaux métalliques


Alliages à base de Fer

Alliages dont le Fer est le principal constituant.Dans la plupart des pays industriels, le métal le plus utilisé est le fer et ses alliages(fonte et acier).

La production de ces alliages est supérieure à celle de tous les autres types de métal.

Trois facteurs expliquent ce phénomène :

� Les composés contenant du fer existent en grandes quantités dans la crouteterrestre ;

� L’extraction, l’affinage, l’obtention des alliages et la fabrication du fer métalliqueet des aciers alliés sont relativement peu couteux ;

� Ils offrent une grande souplesse d’emploi, car on peut les façonner de manière àobtenir une grande variété de propriétés mécaniques et physiques.

Inconvénient de ce type d’alliages: leur susceptibilité à la corrosion.

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Fabrication du Fer et ses alliages

Le fer et ses alliages sont obtenus par des opérations métallurgiques, qui ont pourbut d'extraire le métal (Fer) à partir de son minerai. Ces opérations se déroulentdans des fours ou convertisseurs.

L'élaboration du métal comporte deux phases essentielles :� Extraction du métal à partir du minerai on obtient un produit brut appelé Fonte.� Affinage du produit brut (Fonte) afin d'obtenir un second produit prêt à

l'utilisation appelé Fer.

Les minerais du Fer:

Ce sont des roches contenant le fer en quantité importante.

Selon la forme de combinaisons chimique on distingue plusieurs types de mineraisde fer :� La magnétite (Fe3O4), sa couleur varie du gris foncé au noir.� L'hématite rouge (Fe2O3), sa couleur varie du rouge foncé au gris foncé.� L'hématite brune (Fe2O3.H2O), sa couleur varie du noir au jaune.� Fer spathique ou sidérose (FeCO3), sa couleur varie du jaune pâle au gris.� Pyrite FeS2, sa couleur est doré pâle.

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Aspect industriel: Le haut fourneau

Le haut-fourneau est un four à forme circulaire destiné à l'élaboration de la fonte.

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Matières premières:

� Minerais de fer et additifs (ferrailles).� Fondants (calcaire): pour éliminer la gangue du minerai par formation du

laitier qui se sépare de la fonte par différence de densité.� Coke: c’est un combustible au pouvoir calorifique élevé. Dans les hauts

fourneaux, il permet d’atteindre des températures très élevées(contrairement au bois ou à la houille) et de réduire le minerai de fer pourproduire de la fonte qui est elle-même transformée en acier.

� Air chaud (vers 800 °C).

Produits obtenus:

� Fonte liquide: à 1500, 1600 °C (alliage fer-carbone avec 2.0 < %C < 6.7essentiellement sous forme de cémentite Fe3C).

� Laitier (scorie): au dessus de la fonte: silicate double de calcium et aluminium+ oxyde de fer et MgO.

� Gas de gueulard (300 °C): essentiellement CO+CO2+H2+N2.

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L’aciérie

La présence de 5% de carbone, fait de la fonte un produit cassant et qui ne se laissepas mettre en forme. Pour devenir du fer malléable, elle doit être affinée, c'est-à-dire débarrassée de son excès de carbone.

La fonte qui coule du haut-fourneau à une température d’environ 1500 °C est verséedans des wagons thermos (appelé aussi poches torpilles). Ces wagons sontacheminés vers l’aciérie. C’est là qu’elle va être débarrassée du carbone et desautres éléments qu’elle contient encore : le soufre, le phosphore et le silicium.

Dans une énorme cuve (le convertisseur), on provoque la combustion de la presquetotalité du carbone et la totalité du soufre, phosphore et silicium. Ensuite, pourfabriquer de l’acier qui pourra être mis en forme, on y ajoute d’autres matièrespremières.

Un acier est un alliage métallique constitué principalement de fer et de Carbone.

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Aciers (C< 2%)

- la présence de carbone durcit le fer mais en lui conservant une certaine ductilité et un bon comportement mécanique…- C<0,8% : aciers de construction- 0,8%< C <1,5% : aciers de coupe- très nombreuses applications

Fonte (C> 2%)

- la plus forte teneur en carbone abaisse le point de fusion (fonderie) mais rend l’alliage plus dur et plus cassant…- applications limitées


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Les différents types d’aciers

Aciers ordinaires ou aciers au carbone non alliés:- teneur maximale de 0,25 % en masse de C.- Présence de différents éléments d’additions (faible

quantité)

Aciers alliés ou aciers spéciaux: propriétés modifiées en ajoutant d’autres éléments principalement métallique.

Aciers faiblement alliés (Dans cette famille, la règle est qu’aucun élément n’atteigne 5 %)

Aciers fortement alliés (Les teneurs en éléments d’alliage peuvent dépasser 5 %)On distingue les groupes suivants :

- Aciers inoxydables- Aciers réfractaires- Aciers au manganèse

Acier inoxydable ou « inox » : Sont des aciers à haute teneur en Crome (supérieure à 10 %). Le Crome s’oxyde en Cr2O3 et forme une couche protectrice .Propriété: résistance à la corrosion aux températures basses et moyennes dans les milieux plus ou moins agressifs.


Aluminium et ses alliages

Caractéristiques:

� Masse volumique : la masse volumique de l’aluminium est de 2700 Kg/m3,soit près de trois fois moins que celle des aciers. L’utilisation de l’aluminiums’impose donc quand il faut réduire au maximum la masse des systèmes etdes structures ; c’est le cas par exemple, dans les domaines de laconstruction aéronautique et de l’industrie du transport en général où, pourréaliser des économies d’énergie, on cherche à diminuer la charge à vide,afin d’augmenter la charge utile.

� Résistance à la corrosion : grâce à la couche d’oxyde (Al2O3) qui se forme àleur surface, les alliages d’aluminium résistent relativement bien à lacorrosion. On peut d’ailleurs rendre cette couche protectrice d’oxyde plusépaisse par anodisation : l’aluminium et ses alliages peuvent alors êtreutilisés sans protection supplémentaire comme revêtement extérieurs debâtiments.

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� Conductibilité électrique : la conductivité électrique de l’aluminiumcommercialement pur atteint 62% de celle du cuivre. Par ailleurs, la massevolumique du cuivre est plus élevée que celle de l’aluminium. Par conséquent, àcaractéristiques électriques égales, et pour une même intensité de courant, unconducteur en aluminium, dont la masse est deux fois moindre que celle d’unconducteur en cuivre, s’échauffe moins.

� Propriétés de mise en forme : l’aluminium a une température de fusionrelativement basse (660 °C), il en résulte une facilité de fusion qui présente unavantage certain pour les opérations de fonderie. L’aluminium étant par ailleurstrès ductile, on peut aisément le mettre en forme à l’état solide, pardéformation plastique (laminage, filage à la presse et filage par choc, étirage,etc) soit à chaud, soit à la température ambiante.

Principaux inconvénients:

� Sa principale limite réside dans sa faible température de fusion (660 °C), ce quien abaisse la température maximale d’utilisation.

� Son coefficient de dilatation et sa conductivité thermique imposent desprécautions en soudage et en usinage.

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Ses principaux éléments d’alliage sont le cuivre, le magnésium, le silicium, lemanganèse et le zinc.

Exemples:

� Alliage Al-Si: les alliages d’aluminium qui présentent les meilleures propriétésde fonderie (le silicium a pour effet de diminuer le coefficient de dilatation del’aluminium).

� Alliage Al-Cu: le cuivre accroît les propriétés mécaniques et en particulier ladureté.

� Alliage Al-Li: nouvelle génération d’alliages mise au point au bénéfice desindustries aéronautique et aérospatiale. Ces matériaux ont une massevolumique relativement faible ( de 2.5 g/cm3 à 2.6 g/cm3) et une excellenterésistance à la fatigue et aux basses températures. Leur cout de fabrication esttoutefois plus élevé que celui des alliages d’aluminium classiques en raison desprocédés de fabrication spécialisés que rend nécessaire la réactivité chimiquedu lithium.

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Fabrication d’aluminium

Le principal minerai d'aluminium est la bauxite, qui tire son nom du village de Baux-de-Provence situé dans le sud de la France, où il a été découvert au début du 19ème siècle.

La bauxite est une roche rouge où l'aluminium est présent sous forme d'oxyde d'aluminium et d'hydroxyde d'aluminium, en plus des oxydes de silice, des oxydes de titane et des oxydes de fer.

La proportion d'oxyde et d'hydroxyde d'aluminium dans la bauxite varie selon lesgisements de 40 à 60 %.

Selon la forme minéralogique dans laquelle l’alumine est engagée, on parle debauxite gibbsitique, boehmitique ou diasporique.

Obtention de l’Aluminium pur

� Extraction de l’oxyde d’aluminium de la bauxite (procédé Bayer)� Obtention de l’aluminium à partir de l’oxyde d’aluminium (procédé Hall

Héroult)31


Le procédé Bayer est un procédé d’extraction par dissolution à haute température et haute pression de la gibbsite et ou de la boehmite contenue dans la bauxite par une solution concentrée de soude.

Schéma du procédé

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Les cinq étapes:

� Le broyage: la bauxite est broyée en fines particules pour facilité l'extraction.

� L'attaque: la bauxite est mélangée avec de la soude et de la chaux dans desréacteurs à haute température et haute pression.

� La décantation: on sépare la phase liquide, riche en aluminium, de la phasesolide dans des clarificateurs. Les résidus sont lavés plusieurs fois et forment les"boues rouges". Leur couleur est due à leur forte concentration en oxyde de fer.

� La précipitation: la liqueur est refroidie et diluée pour faire précipité l'aluminiumsous forme d'hydrate d'alumine (Al2O3, 3H2O).

� La calcination: l'alumine chauffée à plus de 1000°C pour la déshydratée.

Le produit obtenu en fin de cycle est une poudre blanche d'alumine (Al2O3).

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Procédé Hall Héroult:

La réduction électrolytique de l'aluminium est le procédé qui permet de fabriquerle métal aluminium à partir de l'alumine extraite de la bauxite.

Ce procédé consiste à dissoudre régulièrement l'alumine provenant des différentsminerais, dans un bain de cryolithe fondue Na3AlF6 contenu dans une cuved'électrolyse maintenue à une température comprise entre 950 à 980 °C.

L'alumine est électrolysée par le passage d'un courant continu entre l'anode et lacathode. La réaction principale du procédé d'électrolyse s'écrit comme suit :

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II-2 Les matériaux céramiques

II-2-1 Les céramiques traditionnelles et techniques

Historique

Les céramiques, bien présentant un comportement fragile, ont été utilisées en tantque matériaux de structure depuis l'antiquité.

Exemples :

· Pyramides de Gizeh = 1 000 000 de tonnes de céramique massive.· Parthénon· Muraille de Chine

Ce sont des matériaux constitués essentiellement d'oxydes, dont la cohésion estassurée par des liaisons ioniques et/ou covalentes.

Le terme de céramique étant très large, il englobe une vaste gamme de matériaux :céramiques traditionnelles; oxydes purs; verres; carbures et nitrures; ciment etbétons; matériaux à base de carbone

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Définitions

La plupart des céramiques sont des composés formés d’éléments métalliques etnon métalliques, dans lesquels les liaisons interatomiques sont soit totalementioniques, soit essentiellement ioniques et partiellement covalentes.

Le terme « céramique » nous vient du mot grec Keramikos qui signifie« substances brulée », révélant ainsi que les caractéristiques recherchées pour cesmatériaux sont habituellement obtenues au moyen d’un traitement thermique àtempérature élevée portant le non de « cuisson ».

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Deux grands types de céramiques:

1/ Céramique spéciale (technique) à partir de combinaisons inorganiques de synthèse. 2/ A base d'argile: on les classes en plusieurs catégories, suivant la taille des grains.

� Structure dite grossière en caractère poreuses ou denses.• Si il absorbe plus de 6 % de sa masse d'eau: structure poreuse.

Exemple: brique, terre cuite.• Si il absorbe moins de 6 % de sa masse d'eau: structure dense.

Exemple: carrelages.

� Structure dite fine en caractère poreuses ou dense.• Si il absorbe plus de 2 % de sa masse d'eau: structure poreuse. Il y a à nouveau deux catégories:- colorés. Exemple: émail.- Non-colorés. Exemple: vaisselle.• Si il absorbe moins de 2 % de sa masse d'eau: structure dense. Il y a à nouveau deux catégories:- colorés. Exemple: carrelage.- Non-colorés. Exemple: vaisselle isolante.


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Classification de la plus artisanale aux plus avancés:

•Terre cuite (Briques, tuiles, poteries, conduits de fumée, tuyau de drainage, etc.).

•Faïence (Équipement sanitaire, vaisselle, carreaux, etc.).

•Grès (Carreaux de sol, appareil de chimie, équipement sanitaire, etc.).

•Porcelaine (Vaisselle, appareil de chimie, isolateur électrique, etc.).

•Produits réfractaires (application dans l’industrie thermique, etc.).

•Céramiques techniques avancées (composant semi-conducteur, outils de coupe, pièces chaudes de moteurs, etc.).


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Faïence Porcelaine

Les briques

Les tuiles

Le verre Céramique à haute

température

Les céramiques traditionnelles

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Céramiques traditionnelles (Céramiques vitrifiées)

Les poteries, tuiles, briques de construction et réfractaires sont constituéesd'argiles mises en forme à l'état humide (où elles possèdent un comportementplastique), puis séchées et cuites.

Après cuisson, ces céramiques sont constituées de phases ordonnées (cristallines),à base de silicate, enrobées de phases désordonnées (amorphes ou vitreuse) àbase de silice. La phase vitreuse fond au moment de la cuisson et s'étend entre lesdifférentes parties cristallines, assurant la cohésion de l'ensemble.

Composition de

quelques céramiques

traditionnelles

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Elaboration des céramiques traditionnelles

Les différentes étapes de fabrication:

1/ Broyage et concassage des matières premières.

2/ Préparation de la pate qu'on humidifie et on mélange les matières premières.

3/ Façonnage de l'objet (on moule, on presse).

4/ Dessiccation (on laisse sécher).

5/ Cuisson.

6/ Finition de l'objet.

7/ Recuit pour imprégner la finition.

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1/ Matières premières

L’élaboration des produits céramiques traditionnelles nécessite l’usage de trois types dematières premières: les plastiques, les dégraissants et les fondants.

1-1/ Les matières plastiques (les plastifiants)

Les matières plastiques utilisées dans l’industrie céramique sont : l’argile, kaolin. Elles ont lapropriété de donner avec l’eau une pâte plastique se laisse mouler.

Sous l’effet thermique de la chaleur, ces minéraux permettent également de consolider desproduits céramiques en réagissant entre eux et avec d’autres minéraux pour former denouvelles phases (cristallines ou amorphes)


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1-2/ Matières non plastiques

De façon plus usuelle, on les dénomme dégraissants. Suivant la morphologie et lataille de leurs particules, elles modifient les propriétés des argiles : elles diminuentla plasticité tout en rendant le matériau moins sensible au séchage.

Les matières premières non plastiques peuvent être divisées en deux classes : lesfondants et les dégraissants.

Les dégraissants Jouent le rôle du squelette pour les objets façonnés. Ils sontessentiellement les argiles cuites (chamotte), la silice (quartz). Le rôle desdégraissants est de :- Diminuer la plasticité de la pâte (départ de l’eau de façonnage) ;- Réduire le retrait de séchage et de facilité le façonnage des produits.

Silice: La silice se trouve sous différents états : sable quartzeux, grès quartzeux,quartzites,… etc.Chamottes: Elles sont issues d’un traitement thermique à haute température decertains types d’argiles.

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1-3/ Les fondants:

Ce sont essentiellement alcalino-terreux, la fonction principale du fondant c’estde former une phase vitreuse seule ou on réagissant avec les autres compositionsde la pâte. De cette façon la cohésion en cuit, la densification sont facilité et latempérature de cuisson réduit.

Les fondants sont très nombreux, mais en pratique on utilise généralement lesoxydes alcalis (K2O, Na2O).

Les fondants ne peuvent jouer leur rôle que lorsque la température à laquelle ilsse combinent aux autres éléments est atteinte au-dessous de cette température,ils n’agissent que comme des dégraissants.

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2/ Façonnage

Une fois l’argile ou la pâte céramique préparée, on va pouvoir la façonner, c’est àdire lui donner la forme que l’on désire. Le façonnage est possible parce quel’argile humidifiée acquiert une certaine plasticité.Plusieurs techniques sont utilisées:� Le modelage à la main (technique la plus anciennes).� Le moulage pour avoir des formes identiques.� Le coulage consiste à verser une barbotine (suspension argileuse) dans un

moule absorbant.� Le pressage est l’action d’exercer une pression externe sur une poudre pour la

rendre plus compacte.

3/ La décoration

Le décor peut être réalisé au moment du façonnage ou après la pose de la glaçureet de l’émail. Il peut être coloré, peint, lithographié, décalqué, incisé, gravé,estampé, moulé, taillé, ajouré… Chaque technique à ses pratiques.


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4/ Séchage:

Après les phases de façonnage viendra une des phases présentant le plus de risquespour le produit: le séchage. En effet, pour assurer la plasticité nécessaire à sa miseen forme, le céramiste a dû adjoindre une grande quantité d’eau aux matièrespremières. Celle-ci doit impérativement être éliminée avant la phase de cuisson, carsous l’effet d’un échauffement trop rapide, elles se transformerait en vapeur etferait exploser les pièces.

La phase de séchage est réalisée à basse température dans des chambres parfoisrégulées en humidité et peut durer plusieurs heures voire plusieurs jours.

Si cette phase est aussi délicate, c’est que le départ de l’eau provoque un retrait dela pièce . Si ce retrait n’est pas réalisé de façon homogène, on risque unedéformation de celle-ci ou plus fréquemment sa casse.


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5/ La cuisson

Enfin viendra la phase de la cuisson, la plus ultime et nécessaire à la transformationdu produit. C’est cette phase qui lui conférera ses qualités définitives. Il faudraatteindre 1000 °C pour obtenir un bon produit. Les pâtes vitrifiées seront cuites plushaut. Généralement plus de 1200 °C pour les grès et jusqu’à 1400 °C pour laporcelaine. Les réfractaires peuvent parfois être cuits au-delà de 2000 °C.

Pendant la cuisson, certains composants vont entrer en fusion, soit partielle quipermet un simple collage des grains entre eux, soit totale dans le cas des pâtesvitrifiées ou des émaux. La fusion mélangera intimement les composants de base,donnant naissance à de nouveaux produits, plus solides.


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Processus de fabrication des matériaux céramiques traditionnelles

Argile + Dégraissants + Fondants

Moulage

Broyage

Mélange

Malaxage

Séchage

Cuisson

Matière première.

Une matière première possédant une granulométrie et une texture parfaite pour la façonnage ultérieur des produits.

En fonction des exigences de qualité du produit fini (sable , chamotte,…).

Optimiser la teneur en eau du mélange d’argile par adjonction d’eau ou de vapeur.

Diffère en fonction du matériel à fabriquer.

Réduire le taux d’humidité des pièces avant leur cuisson.

Confère à la pièce les propriétés voulues et permet de vérifier la réalisation correcte des phases précédentes (malaxage, moulage et séchage).


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Propriétés générales des céramiques

Les principales propriétés physiques, thermiques et chimiques des céramiques sontdominées par la nature des liaisons interatomiques et leur structure cristalline. Lesliaisons interatomiques des céramiques sont essentiellement des liaisons fortes,iono-covalentes.

Les liaisons ioniques et covalentes impliquent tous les électrons de valence desatomes en présence. Il n’y a donc pas d’électrons libres et les céramiques sont, engénéral, de mauvais conducteurs de la chaleur et de l’électricité. Elles sontfréquemment utilisées comme diélectriques et isolants thermiques.

Certains matériaux céramiques, de par leur structure cristalline, présentent despropriétés ferroélectriques (BaTiO3), piézoélectriques (quartz, PZT (Pb (Zrx,Ti1-x)O3)),ferrimagnétiques (ferrites).

Du fait également de la stabilité des liaisons chimiques, les céramiques possèdentune grande inertie chimique et sont donc peu sujettes à la dégradation parcorrosion.

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Aujourd’hui, ces céramiques sont devenues indispensables aux industries de pointe,grâce à leurs propriétés uniques : mécaniques, électriques, thermiques, optiques,chimiques, esthétiques.

Une nouvelle génération de ces matériaux est apparue, élargissantconsidérablement le sens du terme « céramique »: les céramiques techniques

avancés préparés à partir de matières premières synthétiques comme parexemples: oxydes, carbures, nitrures, borures,…etc.

Les céramiques techniques

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Céramiques diélectriques

Un matériau diélectrique est un matériau isolant, qui ne possède pas de chargeslibres (électrons ou ions) qui peuvent se mouvoir librement à l'intérieur dumatériau d’où le nom du diélectrique.

Dans les composés diélectriques les charges ne sont pas libres de se déplacercomme dans un métal mais, sous l’action d’un champ électrique, leurs chargespositives vont avoir tendance à bouger légèrement selon la direction du champ etleurs charges négatives selon la direction opposée, créant des dipôles électriques+/− induits, orientés parallèlement au champ.

Habituellement, une fois le champ électrique annulé, les charges reprennent leurposition d’équilibre et la polarisation disparaît ; ce sont des matériauxparaélectriques. Parfois des dipôles électriques spontanés persistent même enl’absence du champ électrique ; c’est le cas des cristaux pyroélectriques etferroélectriques.

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Classification des matériaux diélectriques:

Les diélectriques son classées généralement en trois classes:

Matériaux piézoélectriques: Ils ont la propriété de convertir de l’énergiemécanique en énergie électrique.

Matériaux pyroélectriques :sont des matériaux dans lesquels un changement detempérature entraine une variation de polarisation électrique.

Matériaux ferroélectriques: Ces matériaux possèdent une polarisation spontanéepouvant être modifiée et renversée par l'application d'un champ électrique, cesmatériaux constituent un sous groupe des matériaux pyroélectriques.

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Application- Condensateur

Le condensateur appartient à la famille des composants passifs. Il estprincipalement caractérisé par sa capacité: C=Q/ΔV

Q: la charge portée par l’armature du condensateur (en coulomb).ΔV: la différence de potentiel imposée entre les deux armatures (exprimée enVolts).

Unité de C est le farad (F).

Le condensateur permet d’emmagasiner une énergie électronique entre les 2électrodes de surface S séparée par un corps possédant les propriétés isolantes etdiélectriques d’épaisseur e et de permittivité relative Ɛr.

Les performances électroniques dépendent de la nature du diélectrique, de lastructure électrode-isolant-électrode, de la forme et de la position des connexions.

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Constante diélectrique :

La constante diélectrique (ε ) d'un matériau traduit la capacité de stockage des charges électriques à l'intérieur de ce matériau. La capacité d'un condensateur plan vide est donnée par la relation :

Lorsque on introduit un matériau diélectrique entre les armatures d'un condensateur sa capacité devient :

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Les condensateurs sont utilisés dans tous les domaines de l’électronique,télécommunication, informatique, automobile, électrotechnique, spatial,…Ils sontclassés en trois grandes familles technologiques:

� Les condensateurs électroniques.� Les condensateurs à diélectriques souples.� Les condensateurs céramiques.

Un condensateur céramique est un condensateur pour lequel le diélectrique est unmatériau inorganique fritté à haute température (une céramique).

Ces matériaux sont généralement des composés à base d’oxyde de structuresouvent dérivées de la pérovskite (titanates de baryum, strontium, calcium, plomb).

Les condensateurs céramiques présentent de nombreux avantages tels que leurscaractéristiques diélectriques (perte diélectriques réduites, importante résistivitéd’isolement, capacités relativement élevées) et leur large plage d’utilisation enfréquences.

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Les pérovskites

La pérovskite désigne à l'origine le minéral CaTiO3, décrit par Gustav Rose en1839 et nommé ainsi en hommage au minéralogiste russe Lev AlexeïevitchPerovski. Par extension, le nom de pérovskite désigne un type structural dérivéde celui de CaTiO3.

Les matériaux à structure pérovskite ont pour formule générale ABX3.Typiquement, le site A est occupé par un ou des cations de rayon ionique élevé(Ca2+, Sr2+, Ba2+, Pb2+, Bi3+ ...) comparativement à celui ou ceux occupant le site B(Ti4+ , Zr4+ , Fe3+ , Sc3+ ...). Les anions X sont généralement l'ion oxygène O2- oufluorure F-.

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Les pérovskites sont généralement représentées par un empilement d’octaèdresBX6 liés entre eux par leurs sommets. Les cations B sont en coordinence 6 et lescations A localisés dans la cavité cuboctaèdrique formée par 8 octaèdres BX6.

Origine sur A Origine sur B

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Condition de stabilité d’une structure pérovskite

Goldschmidt a étudié la stabilité des structures pérovskites en utilisant des critères géométriques. En effet, ces structures sont soumis à des conditions bien définies entre les dimensions des rayons des atomes A, B et O. Ainsi le facteur de tolérance a été défini par la relation:

Où rA, rB et rO sont les rayons ioniques associés respectivement aux cations A ou B et à l’oxygène. La structure pérovskite est stable lorsque 0,75 < t < 1,06. la maille cubique idéale correspond à la valeur t = 1.

Bien qu’ils présentent tous à haute température la même structure cubique simple, l’intérêt pour ces composés réside en grande partie dans les distorsions structurales qu’ils peuvent développer à basse température.Ces distorsions peuvent être : ferroélectrique (FE), ferromagnétique (FM), antiferroélectrique (AFE), antiferromagnétique (AFM),…etc.

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Propriétés des pérovskites

Les pérovskites jouent un rôle important dans l'électronique moderne. Elles sontutilisées dans les mémoires, les condensateurs, les appareils à micro-ondes, lesmanomètres et l'électronique ultrarapide ; (train à sustentation magnétique).

Elles sont supraconductrices à des températures relativement élevées, ellestransforment la pression mécanique ou la chaleur en électricité (piézoélectricité),accélèrent les réactions chimiques (catalyseurs) et changent soudainement leurrésistance électrique lorsqu'elles sont placées dans un champ magnétique(magnétorésistance).

Ces matériaux très prometteurs trouvent de plus en plus des applications dans lescéramiques transparentes, les colorants non polluants, les cellulesphotovoltaïques ou les piles à combustible. Les pérovskites ont des possibilitésd'utilisation quasi universelles car il est possible de faire varier dans des limitestrès larges leurs propriétés. C'est aussi la raison pour laquelle on les appelle aussiles caméléons chimiques.

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La pérovskite BaTiO3

� Le titanate de baryum, de formule BaTiO3 est un composé très intéressant , aussi bien d’un point de vue théorique (structure simple) que d’un point de vue pratique (composé chimiquement est mécaniquement stable qui présente des propriétés ferroélectriques et piézoélectriques dans un large domaine de température incluant la température ambiante).

� Il possède une constante diélectrique élevée qui permet de réduire la taille des condensateurs.

� C’est un composé utilisé dans la réalisation de condensateurs céramiques de forte capacité à structure multicouche.

� Il est le premier oxyde ferroélectrique simple connu et reste aujourd’hui un matériau modèle pour l’étude de la ferroélectricité.

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La céramique BaTiO3: BT possède plusieurs transformations allotropiques (changement de structure cristalline)

� Au dessus de point de curie (TC = 127°C) la structure est cubique, et la céramique BT est paraélectrique.

� 0°C < T < TC, la structure est tétragonale (quadratique), la céramique BT est ferroélectrique, elle possède une polarisation spontanée selon la direction (001).

� -70°C < T < 0°C, la structure est orthorhombique, la céramique BT est ferroélectrique et possède une polarisation spontané le long de la direction (011).

� T < -70°C, la structure est rhomboédrique, la céramique BT est ferroélectrique et la polarisation est selon la direction (111).

Point de curie: ou température de curie TC c’est la température à laquelle le matériau perd son aimantation permanente.

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II-2-2 Les verres

� Les verres constituent un groupe de céramiques bien connu .

� Matériau connu depuis plusieurs milliers d’années .

� Maitrisé par les égyptiens et les phéniciens .

� Les qualités principales de ces matériaux sont leur propriétés optiques(transparence du verre due à la structure amorphe) et thermiques (résistanceaux chocs thermiques), facilement recyclable (faible impact surl’environnement) et le fait qu'ils sont relativement faciles à fabriquer.

Verres naturels: des verres possédants une composition voisine de celle desverres industriels courants (l’obsidienne d’origine volcanique).

Verres industriels: verres chalcogènures, halogénures, semi-conducteurs,métalliques, organiques et les verres d’oxydes.

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Emplois du verre

Pointe de flèches Ancien boite à bijoux en verre

Miroir

Lampe à pétrole Verrerie de laboratoire Vitrage coloré

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Le verre d’aujourd’hui

Bâtiments Transport

Serre de jardin Conversion d’énergie

Télécommunication optique

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Qu’est-ce que le verre ?

Selon American Society for Testing Materials (ASTM) en 1945, le verre est unmatériau inorganique produit par fusion, qui a été refroidi dans desconditions qui ont empêché sa cristallisation.

On peut adopter la définition du verre proposée par Zarzycki :

« Le verre est un solide non-cristallin présentant le phénomène de transitionvitreuse ». L’état physique correspondant est appelé état vitreux.

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Les verres oxydes

Les verres d'oxydes sont historiquement les plus anciens et industriellement lesplus exploités.

Ils sont des silicates non cristallins (70% de silice SiO2) contenant d’autres oxydes,notamment le CaO, le Na2O, le K2O et le Al2O3, qui en modifient les propriétés.Il existe deux grandes familles de verres:

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Composition ( en % massique ) de quelques verres industriels

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Structure des verres

Le verre est un matériau amorphe, c’est-à-dire non-cristallin (il n’existe pasd’ordre à grande distance). Il possède un réseau tridimensionnel, semblable àcelui du cristal, mais dans lequel seul l’ordre à courte distance est conservé.

Dans un verre ordinaire on trouve un assemblage de tétraèdres (SiO4)2-, avec unatome de silicium au centre.

Structure bidimensionnelle: (a) SiO2 cristallin; (b) SiO2 amorphe

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Silice SiO2 cristalline Silice SiO2 vitreuse

Tétraèdres SiO4 (brique de l’édifice) Tétraèdres SiO4 (brique de l’édifice)Empilement régulier de ces briques Empilement anarchique de ces briquesOrdre à courte et longue distance Ordre à courte distance

l’état vitreuxLes verres sont des solides amorphes. La manière la plus classique d'obtenir dessolides amorphes consiste à les refroidir rapidement depuis l'état liquide afinqu'il se rigidifie sans cristalliser. L'accroissement continue de la viscosité lors durefroidissement d'un liquide a pour résultat un figeage du liquide jusqu'àsolidification.

Pour étudier ce processus, on suit généralement l'évolution d'une variablethermodynamique (souvent le volume spécifique) en fonction de latempérature.

Lorsqu’on refroidit un liquide, en général, son volume diminue. Dans le casnormal il se produit, à la température de fusion Tf, une cristallisation avecdiminution du volume.

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Partant de la phase liquide à haute température:- Le volume molaire VM (ou l’enthalpie H) décroit avec la température.- A une température inférieure à la température de fusion, pour un traitement de

durée infinie, le liquide sera transformé en un cristal dont le volume molaire (ou l’enthalpie) est bien plus faible que celui du liquide surfondu correspondant.

- Si le refroidissement est continu et rapide depuis l’état liquide stable jusqu’à très basse température, le liquide passe dans un domaine de température où il se trouve dans un état de surfusion.

- C’est cet état métastable qui va progressivement se figer pour donner naissance au verre à température ambiante.

Le passage continu du liquide surfondu au verre est appelé domaine de transition vitreuse.

La température de transition vitreuse Tg –plus exactement la température fictive-est définie comme l’intersection des courbes V(T) extrapolées à partir du liquide et du verre solide.

Variation du volume spécifique avec la température

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Le domaine de la transition vitreuse s’étend sur un intervalle de températuredépendant de la nature du verre et de la vitesse de refroidissement.

Plus la vitesse de refroidissement est élevée et plus la transformation s’effectue àhaute température. L’inverse est vrai pour un refroidissement lent.

Influence de la vitesse de refroidissement V1>V2>V3 ---� Tg1>Tg2>Tg3

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L’existence de la transition vitreuse peut être mise en évidence par l’analysecalorimétrique différentielle (DSC).

L’analyse (DSC) d’un verre nous permet de déterminer les quatre températurescaractéristiques du matériau.

Tg : température de transition vitreuseTx : température de début de cristallisationTp : température au sommet de l’exotherme de cristallisationTf : température de fusion

Tp


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� Au début: aucun flux thermique, le thermogramme présente un palier appeléligne de base.

� A Tg: Déviation qui traduit un changement de capacité calorifique (passage duCp de solide au Cp de liquide) correspond à la transition vitreuse.

� Avant la température de transition vitreuse Tg, la viscosité du verre est infinie(état solide), à Tg la viscosité est de 1013 poises (définition de la Tg) et au-delà,la viscosité diminue continûment et progressivement avec la température.

� Lorsque la viscosité devient faible, la mobilité des atomes est telle qu’ilspeuvent avoir la possibilité de créer un réseau ordonné : c’est la cristallisation(elle se caractérise en analyse thermique par un pic exothermique).


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Fabrication du verre

La plupart des verres d’usage courant sont faits de silice et de produits sodocalciques.

L’aptitude à la vérification qui désigne la tendance de la solution liquide desconstituants à vitrifier au cours du refroidissement dépend de la proportion desoxydes formateurs et modificateurs dans la «composition».

Chauffage des matières premières à une température supérieure au point de fusion:SiO2 (sable quartzeux) + Na2O (Na2CO3 ou Soude solvay) + CaO (la chaux CaCO3).

Fusion Liquide Trempe Verre

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� Oxydes formateurs (caractère covalent)

Il s'agit principalement du SiO2, du B2O3 ou du P2O5. Ces composés sontresponsables de l’état vitreux ; en plus ils donnent la résistance mécanique, ainsique la résistance aux acides ; leur coefficient de dilatation thermique est très bas.

� Oxydes modificateurs (caractère ionique)

Il s'agit d'oxydes :• alcalins (Na2O, K2O), qui diminuent le point de fusion. K2O augmente la brillancedu verre.• métaux bivalents CaO, BaO, PbO, MgO, qui augmentent la stabilité chimique.• métaux trivalents Fe2O3 + Al2O3 qui augmentent la résistance aux agentschimiques.

� Substances colorantes

Les oxydes de fer et de chrome apportent une couleur verte, ceux de nickel : grise,ceux de manganèse : violette, ceux de cobalt : bleue, ceux de cuivre : rouge ouverte… La couleur ambre, qui protège des rayonnements UV, est donnée par dessulfures de fer (III), en milieu réducteur.

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Etapes de fabrication du verre

Le cycle d’opérations au cours duquel le mélange vitrifiable est transformé en verrefondu apte à être mis en forme comprend trois étapes: La fusion, l’affinage-

homogénéisation et la braise.

La fusion: Pour les verres courants, suivant la nature de la composition, latempérature est progressivement amenée à 1300-1400°C. Au cours de cettemontée en température, la composition enfournée subit diverses transformations:déshydratation, dissociation des carbonates et sulfates avec dégagement de CO2,SO2, SO3, fusion de certains composants.

L’affinage-homogénéisation: Le verre fondu n’est pas homogène, de plus, ilcontient de nombreuses bulles de gaz qui se trouvent piégés dans le liquide à forteviscosité. Ces bulles proviennent de la dissolution des composants, de l’atmosphèredu four, de la réaction avec les réfractaires,… Pour éliminer ces inclusions, onprocède à l’affinage.


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� Augmentation de la température (1450 à 1550 °C pour les verres courants) duverre pour diminuer sa viscosité. la vitesse ascensionnelle des bulles augmentece qui favorise l’homogénéisation.

� L’agitation mécanique «guinandage» et l’insufflation d’air ou de vapeur d’eau paren dessous du bain «bouillonnage» sont également employés.

� Enfin des agents affinant tels que Na2SO4 ou As2O3 sont ajoutés : affinagechimique.

La braise: Le verre en fin d’affinage possède une viscosité trop faible pour pouvoirêtre mis en forme. Pour augmenter sa viscosité il est refroidi jusqu’à la températureadéquate (1000-1200°C pour les verres courants).

Les trois étapes de l’élaboration: fusion, affinage-homogénéisation et braise, sontcontrôlées par la viscosité.


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Formage du verre

Le rapport entre la viscosité et la température joue un rôle important en matière de formage des verres.

Tf: température à laquelle le verre devient liquide.Tg: température à laquelle le verre devient solide.Entre Tf et Tg le verre est visqueux et peut être travaillé.

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4 méthodes de formage

Le pressage

Objets relativement épais tels que des assiettes et des plats

Le soufflage

Bocaux de bouteilles et d’ampoules électriques.

L’étirage

Longues pièces à section constante, telles que les plaques, les tiges, les tubes et les fibres de

verre.

Le fibrage

Fibres de verre continues

(verre textile).

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II-2-3 Les ciments et liantsHistoriques

�Les Grecs sont les premiers constructeurs à employer la chaux obtenue parcuisson du calcaire.�Les Romains améliorent la technique de la chaux en y ajoutant des cendresvolcaniques et des briques pilées et obtiennent ainsi un liant hydraulique,intermédiaire entre une chaux et un véritable ciment.�1756: l'ingénieur britannique John Smeaton entreprit des expériences avec desmortiers en eau douce et en eau salée. Il découvrit ainsi que du ciment fait depierre calcaire contenant une forte proportion d'argile durcissait sous l'eau.�1817: le Français Louis Vicat, étudiant scientifiquement et non plusempiriquement, comme ses prédécesseurs, les chaux hydrauliques, découvrit lesprincipes chimiques des ciments et définit leurs règles de fabrication.�1824: L'Anglais Joseph Aspdin fait breveter le ciment "Portland", obtenu à partird'un procédé de calcination combinant la cuisson de calcaire et d'argile dans desfours alimentés au charbon. La dénomination "Portland", due simplement à lasimilarité de couleur et de dureté avec la pierre de Portland (Sud de l'Angleterre),est à l'heure actuelle toujours employée dans l'industrie.

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Définitions

Le ciment: est un liant hydraulique, c’est à dire une matièreinorganique finement moulue qui mélangée avec de l’eau,forme une pâte faisant prise et durcissant progressivementau cours du temps.

Ainsi, ce liant dit “hydraulique” permet d’agglomérer dessubstances variées appelées agrégats ou granulats.

liants hydrauliques: Ciment, plâtre et chaux.

Le plâtre: matériau traditionnel du bâtimentCuisson du CaSO4.2H2O � CaSO4.1/2 H2O +3/2H2O (vapeur)La déshydratation plus ou moins complète du gypse soit toujours la base de la fabrication des plâtres.

La chaux: CaO est obtenue par cuisson du calcaire CaCO3

Cuisson du CaCO3� CaO + CO2

Ciment

plâtre

Chaux

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Le ciment est un matériau destiné à faire du béton pour des applications diverse.

La composition classique du ciment est de 80 % de calcaire et 20 % d’argile. Cesdeux éléments sont broyés, cuits à très haute température (1450 °C), puis lerésultat (le clinker) est à nouveau broyé. Lors de ce second broyage, des ajoutspeuvent être faits afin d’optimiser certaines caractéristiques comme la prise duciment.

On distingue deux grandes destinations: le bâtiment et le génie civil, avec unerépartition respective d’environ deux tiers/un tiers.

Dans le domaine du bâtiment: construction de logements neufs, entretien,rénovation et réhabilitation

Dans le domaine du génie civil: routes, autoroutes et les ouvrages d’art.

Une Pâte pure = Ciment + Eau. Un mortier = Ciment + Eau + Sable (granulat fin). Un Béton = Ciment + Eau + Sable + Gravier (granulat grossier).

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C:CaO ( la chaux)S:SiO2 (la silice)A:Al2O3 (l’alumine)F:Fe2O3 (la ferrite)H:H2O (l’eau)

�̅:SO3 ( le trioxyde de soufre)M: MgO (la magnésie)K:K2O (l’oxyde de potassium)�̅:CO2 (dioxyde de carbone)

Notation cimentière (nomenclature)

La notation cimentière utilise des lettres symbolisant les éléments principauxexprimés sous forme d’oxydes. Cela permet d’écrire les réactions chimiques detransformation de ces éléments lors de l’hydratation.

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Fabrication du ciment

1/ Abattage: les matières premières qui entrent dans la fabrication du ciment,essentiellement le calcaire et l’argile, sont extraites de la carrière par abattage.2/ Transport: les matières premières sont transférées dans un dumper.3/ Concassage et transport: les matières premières, après concassage sonttransportées à l’usine par un tapis roulant où elles sont stockées et homogénéisées.

Carrière

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1/ Broyage cru: un broyage très fin permet d’obtenir une farine crue.2/ Cuisson: la farine crue est préchauffée puis passe au four: une flamme atteignant2000 °C porte la matière à 1500 °C, avant qu’elle ne soit brutalement refroidie parsoufflage d’air. Après cuisson de la farine, on obtient le clinker, matière de basenécessaire à la fabrication de tout ciment.

Broyage cru et cuisson

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Composition du cru

Pour produire un ciment de qualité, toutes les matières premières doivent êtresoigneusement dosées et mélangées. Mais si elle peut varier d’une cimenterie àl’autre en fonction de la qualité du gisement, la composition du cru reste dans desproportions bien définies :

Composition minéralogique du clinker

Composant Formule chimique Min Max

Alite (silicate tricalcique) : C3S 3CaO,SiO2 45% 79,7%

Bélite (silicate bicalcique) : C2S 2CaO,SiO2 5,7 % 29,8%

Aluminate tricalcique : C3A 3CaO,Al2O3 1,1% 14,9%

Aluminoferrite tétracalcique : C4AF 4CaO.Al2O3.Fe2O3 2% 16,5%

Chaux libre : C CaO 0,6 % 2,8 %

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Broyage, stockage, conditionnement, expédition

1/ Broyage: Le clinker et le gypse sont broyés très finement pour obtenir un« ciment pur ». Des constituants secondaires (Adjuvants: cendres de centralesthermiques, laitier de haut-fourneau) sont également additionnés afin d’obtenir desciments composés.

2/ Stockage, conditionnement, expédition: Les ciments stockés dans des silos sontexpédiés en vrac ou en sacs vers leurs lieux de consommation.

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Méthodes de fabrication des cimentsQuatre voies de fabrication: sèche, humide, semi-sèche, semi-humide.

Des phases communes à tous les processus:� L’extraction de la matière première, constituée de calcaire et d’argile.� La préhomogénéisation, qui consiste à homogénéiser les différents minéraux provenant de

la carrière avec des ajouts minéraux secondaires. On obtient le cru qui a la compositionidéale pour obtenir une matière finale avec la composition recherchée.

� La cuisson, réalisé dans un four rotatif horizontal, qui porte à haute température le cru et letransforme en un produit fini appelé clinker.

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Le ciment Portland contient 5 % de gypse. D’autres types peuvent être obtenus enmélangeant le clinker broyé avec d’autres constituants broyés eux aussi, quiprésentent des propriétés hydrauliques ou pouzzolaniques: ce sont soit des laitiersde hauts fourneaux granulés, soit des cendres volantes ou encore des pouzzolanesnaturelles ou artificielles.

Le clinker portland:

Image du clinker au microscope optique

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Phénomènes physico-chimique au cours de la cuisson

� Le préchauffage: la température est plus petite que 700 °C. L’eau libre etcombinée s’évaporent (déshydratation des argiles).

� L’entrée du four: la température est entre 700 et 900 °C. Le carbonate de calciumCaCO3 se décompose pour donner CaO et CO2 selon l’équation:

CaCO3 = CaO + CO2

� La première section du four: la température est entre 900 et 1200 °C. Ladécarbonatation devient complète et il y a formation de petits cristaux rond deC2S selon l’équation:

2CaO + SiO2 = Ca2SiO4

� La deuxième section du four: la température est entre 1200 et 1350 °C. Lamatière se divise en deux phases: phase liquide (Al, Fe, P, S) et phase solide (Si,Ca). Le pourcentage de C2S augmente et une partie de cette phase réagie avec lachaux libre pour produire le C3S selon l’équation:

CaO + Ca2SiO4 = Ca3SiO5.� La sortie du four (zone de cuisson): la température est entre 1350 et 1450 °C. Le

pourcentage de la chaux libre devient négligeable, le pourcentage de C2S diminueet leur dimension augmente tandis que le pourcentage et le dimension du C3Saugmentent.

� Le refroidisseur: la phase liquide se cristallise pour donner le C3A et le C4AF.91


Réactions chimiques entre 1200 et 1450 °C : La clinkérisation

2C + S = C2S C2S + C = C3S

C2F + CA + C = C4AF CA + 2 C = C3A

Ou

2CaO + SiO2 = 2CaO.SiO2

2CaO.SiO2 + CaO = 3CaO.SiO2

2CaO.Fe2O3 +CaO.Al2O3 + CaO = 4 CaO.Al2O3.Fe2O3

CaO.Al2O3 + 2CaO = 3CaO.Al2O3

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Contrôle de qualitéI- Composition chimique du cru (Modules du cru)

Facteur de saturation en chaux FSC Le facteur de saturation en chaux mesure le taux de chaux nécessaire pour se compileravec la silice, l’alumine et l’oxyde de fer. Le FSC se mesure avec la formule suivante :

= 0,94 à 0,98

Module silicique MSLe module silicique mesure le taux de silice par rapport au taux d’oxydes de fer etd’aluminium ensemble.

= 1,9 à 3,2

Module aluminoferrique MAFSa valeur caractérise la nature de la phase fondue, contenant la presque totalité desdeux oxydes Al2O3 et Fe2O3

= 1,5 à 2,5

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Contrôle de qualité

II- Composition en minéraux principaux d’un clinker

Les formules de Bogue sont utilisées mondialement pour calculer la compositionminéralogique d’un clinker ou d’un ciment . Ce calcul fait l’hypothèse de laformation de réseaux cristallins bien définis, et ne tient pas compte des oxydessecondaires apportés par les matières premières.

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Pour un clinker Portland ordinaire, la composition minéralogique est définie par lesformules suivantes et calculée à partir de la composition chimique: Formules deBogue.

Clinker ordinaire : Si A/F > 0.64

C3S = 4.071 CaO – (7.602 SiO2 + 6.718 Al2O3 + 1.43 Fe2O3)* C2S = 2.867 SiO2 – 0.7544 C3S C3A = 2.65 Al2O3 – 1.692 Fe2O3

C4AF = 3.043 Fe2O3

Clinker sans C3A : Si A/F = < 0.64

C3S = 4.071 CaO – (7.602 SiO2 + 4.479 Al2O3 + 2.859 Fe2O3)* C2S = 2.867 SiO2 – 0.7544 C3S C3A = 0 Solution Solide (C4AF + C2F) = 2.10 Al2O3 + 1.702 Fe2O3

(* pour le calcul de C3S dans les ciments, 2.852 SO3 est ajouté aux parenthèses dans les équations)

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Principe de dénomination normaliséeLa dénomination d'un ciment suit le principe suivant :1/ type de ciment : CEM I à CEM V

I : ciments Portland, II : ciments Portland composés, III : ciments de haut fourneau,IV : ciments pouzzolaniques, V : ciments au laitier et aux cendres.

2/ classe de ciment : A, B ou C suivant les proportions de clinker.3/ nombre de constituants autre que le clinker : rien = un seul constituants - M = au moinsdeux constituants4/ la nature des constituants autres que le clinker5/ la classe de résistance à long terme du ciment (32,5 - 45 - 52,5 MPa)6/ la classe de résistance à court terme du ciment : l = faible - N = normale ou ordinaire -R = élevée7/ la certification CE8/ les spécification complémentaires : PM = Ciment Prise Mer = pour travaux à la mer -ES = Ciment pour travaux en Eaux à haute teneur en Sulfates - CP1 ou CP2 = Ciment à teneuren sulfures limitée9/ pour bétons précontraints.10/ le marquage NF

Normalisation des ciments

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Exemple:

CEM II /A -LL 32,5 R CE CP2 NF

CEM II : Ciment de type 2A : Contenant 80 à 94% de clinkerLL : contenant 6 à 20% de fine calcaire à moins de 0,5% de carbone organique32,5 : de 32,5 de résistance caractéristique à 28 joursR : à durcissement rapideCE : possède un certificat de conformité CECP2 : à teneur en sulfate limitéeNF : certifié conforme à la marque NF

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Hydratation du ciment

L'hydratation est l'ensemble des réactions chimiques qui s'effectuent lors et aprèsle mélange du ciment avec l'eau.

Ces réactions sont régies par les phénomènes de dissolution- précipitation etentrainent, après une période dite "dormante" (dissolution des aluminates et dessilicates), la prise puis le durcissement du ciment.

Ces réactions s'accompagnent d'un dégagement de chaleur plus ou moinsimportant selon le type de ciment.

Pour comprendre les changements chimiques et physiques qui se produisent aucours de l'hydratation du ciment portland, il est essentiel d'étudier séparément lesréactions des silicates et des aluminates.

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I/ Hydratation du silicate tricalcique (C3S) (Alite) :

Le C3S est le constituant majeur du clinker (50 à 70% de sa masse). Il confèrerapidement au ciment une résistance élevée, son hydratation n'évoluepratiquement plus après 28 jours.

2 C3 S + 6 H = C3 S2 H3 + 3CH

Silicate de Calcium Hydraté ou C-S-H: Les C-S-H (un gel) assurent lescaractéristiques de cohésion des matériaux cimentaires et contribuentessentiellement à la résistance mécanique.

La Portlandite Ca(OH)2 ou CH: Joue un rôle primordial sur la durabilité dubéton.

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II/ Hydratation du silicate bicalcique C2S (Bélite) :

Il représente 15 à 30% de la masse du clinker. Les mécanismes et les produitsd'hydratation du silicate bicalcique sont similaires à ceux dérivés de C3S.

2 C2 S + 4 H = C3 S2 H3 + C H

III/ Hydratation de l'aluminate tricalcique C3A:

Le C3A est le constituant le plus réactif du clinker. Il réagit très rapidement avec l'eaupour donner des hydrates métastables (C4AH13, C2AH8) qui se transforment en unaluminate de calcium hydraté C3AH6.

2 C3 A + 21 H = C4 A H13 + C2 A H8

C4 A H13 + C2 A H8 = C3 A H3 +3 C H

Le C3A contribue à la prise de la pâte de ciment. En l'absence de gypse, l'hydratationdu C3A est extrêmement rapide, exothermique et perturbe l'hydratation des silicates.Il s'en suit un phénomène de prise très rapide, empêchant la mise en œuvre dumatériau.

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Pour remédier à cela, les cimentiers incorporent systématiquement du gypse dansla composition de leur ciment. Ainsi, la réaction des aluminates avec le sulfatecontenu dans le gypse, forme de l'ettringite (tri sulfo-aluminate de calciumhydraté) qui précipite en masse autour du grain de C3A et inhibe sa dissolution.

C3 A + 3 C �� H2 +26 H = C6 A�� 3 H32 ( ettringite: C3A.3C��.32H)

IV/ L'hydratation du C4AF :

L'hydratation du C4AF est semblable à celle du C3A, mais la vitesse de réaction estplus lente et les hydrates formés contiennent du fer. Le C4AF a pour rôle de réduirela température de formation du clinker

En présence du sulfate

C4 A F + 12 C �� H2 +110 H = 4 [C3( A F ), 3 C�� ,H32] +2[(A,F) H3]

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Produits d’hydratation

Une pâte de ciment Portland hydraté contient approximativement 15 à 25 %(en masse) de portlandite, 60 à 70 % de C-S-H et 5 à 15 % de phasesaluminates.

L'hydratation du C3S et C3A provoque un effet thermique important dès lespremières échéances.

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Enchainement des étapes d’hydratation du ciment

Pâte de ciment à T = 1 heure

Mouillage:

Hydratation superficielle instantanée des particules lorsqu’elles entrent en contact avec l’eau.


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Formation d’une couche de CSH en surface des grains.

Réaction du C3A avec l’eau et le sulfate de calcium pour former de l’ettringite


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Fin de la période dormante avec la précipitation de la portlandite qui joue le rôle de gâchette de la prise.

Période d’accélération des silicates.

Poursuite formation d’ettringite.


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Durcissement

La porosité se remplit progressivement de CSH.

Les résistances se développent.

Les dimensions des capillaires contenant l’eau diminuent.

Les sulfates sont épuisés, et il y a conversion de l’ettringiteen monosulfoaluminate de calcium (C4ASH12).


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II-3 Les matériaux polymères

Définitions

� les polymères sont constitués d’un grand nombre d’unités fondamentales, lesmonomères, lesquels sont des molécules organiques dont le noyau estessentiellement constitué d’un atome de carbone (ou de silicium, dans le cas despolymères siliconés).

� Ces monomères sont les éléments de base de tous les polymères de poidsmoléculaire élevé, qu’il s’agisse des macromolécules biologiques qu’on trouvedans les organismes vivants (ADN, ARN, collagène, etc), des polymèressynthétiques (plastiques, élastomères, etc) ou des polymères naturels (cellulose,caoutchouc naturel ou latex, protéine, laine, etc).

� Macromolécule: grande molécule constituée d’unités qui se répètent et quidérivent de monomères.

� La polymérisation : réaction qui assemble les monomères en macromolécules.

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Exemple de polymères usuels

� Le polymère le plus utilisé est le polyéthylène PE

C’est le matériau d’emballage par excellence.

� Le deuxième polymère fort utilisé est le polypropylène PP

C’est un plastique dur. On le retrouve dans tous les matériaux de plomberie.

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� Le polychlorure de vinyle PVC

On l’utilise pour la fabrication des chaussures synthétiques et des tuyaux de canalisation etc.

� Le polytétrafluoroéthylène PTFE

Ce polymère est plus connu sous le nom de Téflon® (anti-adhésif).

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� Le polystyrène PS

Isolant synthétique, emballage

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Les polymères synthétiques

Les matières premières des polymères synthétiques sont généralement des sousproduits du charbon et du pétrole composés de molécules de faible massemolaire.

Au cours de la polymérisation, des monomères s’unissent les uns aux autres pourformer chacune des macromolécules constitutives d’un polymère de massemolaire élevée.

Les réactions de polymérisation se répartissent en deux catégories: lapolymérisation par addition et la polycondensation.

Polymérisation par addition

La réaction de polymérisation la plus simple est celle du polyéthylène (C2H4)n .c’est une réaction de polymérisation par addition, au cours de laquelle lesmonomères réagissent ensemble, sans engendrer aucun sous-produit de laréaction.

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Molécule d’éthylène C2H4 Ouverture de la double liaison C=C

laisse deux liaisons libres -C-C-

Mise en évidence du monomère dans une chaîne linéaire de polyéthylène. Le symbole Signifie que la chaîne peut se poursuivre à cette extrémité

Polyéthylène (C2H4)n

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Pour obtenir une telle réaction, il faut bien entendu ouvrir la double liaison C=Cdu monomère : c’est un réactif chimique (appelé initiateur) qui, ajouté aumonomère, permet d’ouvrir cette double liaison.

Réactions chimique qui se produisent au cours de la polymérisation par addition

L’initiateur possède un électron libre, ou un groupe ionisé (par exemple unperoxyde organique comme le (CH3)3COOC(CH3)3, qui attire un des deux électronsimpliqués dans la double liaison C=C.

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Polymérisation par condensation (polycondensation)

Alors que la polymérisation par addition n’engendre aucun sous-produit de laréaction (tous les atomes des monomères se retrouvent dans le polymère), lapolymérisation par condensation implique des réactions chimiques qui entraînentla formation d’un sous-produit (en général, une molécule de faible poidsmoléculaire).

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(a): Monomères en présence

(b): Formation du nylon 6-6

(c): La réaction de polymérisation peut se poursuivre

Nylon 6-6

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Classement des polymères

1/ Par structure

On distingue :� Les homopolymères : formés à partir d’un unique monomère. � Les copolymères : formés à partir de monomères différents.

On distingue les polymères (cas du polyéthylène):

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Polymères linéaire et ramifié: Sont solubles et fusibles.

Polymères réticulés: Sont insolubles et ne peuvent passer à l’état liquide.� Une résistance thermique nettement plus élevée.� Le polyéthylène tridimensionnel (réticulé) est

utilisé comme isolant électrique pour les lignes électriques souterraines à haute tension (200KV).


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2/ Par propriétés thermiques et mécaniques

Les différences de propriétés résultent de la différence de structure des polymèreset des interactions ou véritables liaisons entre les chaînes.� Polymère thermoplastique

Sous l’effet de la chaleur, il se ramollit et devient malléable, en se refroidissant, il sedurcit en conservant la forme donnée à chaud.

Explication : Les polymères thermoplastiques sont linéaires ou ramifiés.

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� Polymère thermodurcissable

Sous l’effet de la chaleur, il devient dur et ne peut plus fondre. Une nouvelle hausse detempérature mènerait à une destruction du polymère.

Explication : les polymères thermodurcissables sont réticulés : ils sont obtenus par réactionchimique : les réticulations (liaisons covalentes) sont formées au cours du chauffage et nepeuvent ensuite plus être rompues.


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� Les élastomères

Ils s’étirent sous l’effet d’une action mécanique et reviennent à leur forme initiale lorsquel’action mécanique cesse.

Explication : les élastomères sont des polymères réticulés.


Cycle de vie des polymères

Elaboration : des monomères reliés entre eux par des liaisons covalentes.

Formulation : Après leur synthèse, on leur ajoute diverses substances qui modifientleur comportement, en remplissant différentes fonctions :- Stabilisants : le polymère « pur » est fragile, il peut se dégrader facilement.

L’emploi de stabilisants permet de limiter ce phénomène.- Additifs pour faciliter la transformation : lubrifiants, agents de démoulage, etc. ;- Colorants : pigments minéraux (dioxyde de titane) ou organiques (noir de

carbone) ;- Plastifiants : pour rendre le matériau plus souple ;- Renforcement au choc : nodules de caoutchouc ;- Additifs anti-combustion, etc.

Mise en œuvre : Elle peut se faire à partir de poudres (revêtements), de l’état fondu(cas le plus fréquent), de l’état caoutchoutique (soufflage de bouteilles) ou de l’étatsolide (étirage de fibres et de films, usinage de pièces mécaniques).

Devenir après usage : élimination (mise en décharge), réutilisation ou valorisation(recyclage)

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Dimensions des polymères

� La plupart des réactions de polymérisation sont des processus aléatoires:toutes les chaînes ne croissent pas jusqu’à la même longueur.

� Ceci nous amène à introduire la notion de masse molaire moyenne qui peut sedéfinir de plusieurs façons. Ainsi, la masse molaire moyenne en nombre Mn estégale à:

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La masse molaire moyenne en masse Mw s’obtient en pondérant la masse molaireen fonction de la fraction en masse des macromolécules:

Le rapport �/��, qui est appelé indice de polymolécularité I (polydispersité),est une mesure de la dispersion des masses molaires. Pour un polymèrehomogène (toutes les macromolécules ont la même masse molaire), I = 1.

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Degré de polymérisation DPn:

La polymérisation des monomères ne conduit pas forcément à un produit unique,c’est-à-dire que la valeur de « n » n’est pas connue à priori. Ainsi la masse molaired’un polymère n’est pas unique et elle dépend de la valeur de « n ». Pour rendrecompte de cette dispersion de masse molaire moléculaire, on définit le nombremoyen de motifs par chaîne qu’on appelle degré de polymérisation : soit M lamasse molaire moyen (en nombre) du polymère et M0 la masse molaire dumonomère, alors le degré de polymérisation est :

� � = M/M0 =�� / masse d’unité ou de motif

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Exemples: effet de la taille moléculaire sur les propriétés

Pour une masse d’environ 400, ce polymère est un liquide de frein. Par contre, avec une masse d’environ 2000, ce polymère apparaît sous forme de poudre blanche et est utilisé dans la fabrication de médicaments.

CH3-(CH2)n-CH3

n = 1 --------------� Gaz du propane.n = 3-9 -----------� Essence liquide.n = 14-23 --------� Liquide visqueux graisses.n = 24-48 --------� Cire solide.n>1000 ----------� Polyéthylène (solides durs).


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II-4 Les matériaux composites

Présents dans quasiment tous les secteurs industriels, les matériaux composites sontlargement utilisés dans l’industrie automobile, transport aérien, l'industrie nautique,ferroviaire, spatiale, le bâtiment, les sports , etc.

Evolution de la proportion de composites dans les avions commerciaux (document Airbus).

Transport aérien

Il y a longtemps: utilisations des composites en faible quantité (10% de la masse structurelle) sur des pièces non vitales.

De nos jours:A380 d'Airbus en contient 25%, le Dreamliner (787) de Boeing en contient 50%, l'A350-XWB devrait à son tour dépasser ces chiffres .En plus l’utilisation des composites sur des structures vitales

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Industrie automobile

La place des matériaux composites dans une automobile en 2014

Construction classique en acier

Châssis monocoque de Lamborghini AventadorLP 700-4

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Excellentes caractéristiques

Les matériaux composites ont beaucoup d’atouts importants par rapport auxmatériaux traditionnels (métaux, céramiques et polymères) .

Une combinaison de propriétés assez exceptionnelle:

� Matériaux légers (une réduction de la consommation de carburant et desémissions de polluants), robustes, rigides et capables de résister aux chocs età la corrosion.

� Facilité de mise en œuvre.

� Grande résistance à la fatigue (durée de vie augmentée).

� l'insensibilités à certains produits chimiques courants ( solvants, peinture,huiles, pétroles,... ).

� Une bonne isolation électrique.

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Définitions

Les composites résultent de la combinaison d’au moins deux matériaux différents.Une fois mis au point, un composite possède les propriétés les plus utiles desmatériaux qui le constituent.

Un matériau composite est constitué dans le cas le plus général d'une ou plusieursphases discontinues réparties dans une phase continue.

La phase discontinue, appelée renfort ou matériau renforçant, est habituellementplus dure avec des propriétés mécaniques supérieures à celles de la phasecontinue, appelée matrice.

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Composites naturels :

Le bois: est un composite à base de cellulose et de lignine ; les fibres de

cellulose, résistantes et flexibles, y sont associées à un matériau plus rigide, lalignine, qui les enveloppe et les lie.

Le tissu osseux: est aussi un composite qui résulte de l’association d’une

substance minérale dure et cassante, l’apatite, et d’une protéine souple maisrésistante, le collagène.

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Les composites ne comprend que deux phases principales: l’une, appelée matrice, est continue et enveloppe l’autre phase, le matériau de renfort.

Constituants des matériaux composites

Composite

Matrice

Polymère thermodurcissable ou

thermoplastique

Renforts

Fibres, tissus ou grilles

Charges et additifs

Éléments apportant des propriétés ou

participants au durcissement

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Les fibres longues:

longueur comparable aux dimensions de la pièce.

Les fibres courtes:

longueur faible devant les dimensions de la pièce.

Les particules, ou charges renforçentes.

Le renfort: Le renfort est généralement composé de matériau dur; il contribue à améliorer la résistance mécanique à la traction et la rigidité des matériaux composites.

D'un point de vue géométrique, on peut distinguer trois grands types de renforts :

Exemples : le béton armé = composite béton + armatures en acier, ou le compositefibre de verre + résine polyester.


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Différentes familles du renfort

En fonction de la forme des renforts, on distingue deux types de composites :

� les composites à fibres : constitués de fibres continues ou discontinues (fibres coupées ou courtes). Leur orientation permet de moduler les propriétés mécaniques du matériau et d'obtenir des matériaux isotropes ou anisotropes.

� les composites à particules : les particules sont généralement utilisées pour améliorer certaines propriétés des matériaux.

Les renforts les plus couramment utilisés sont les fibres, généralement de verre, de carbone ou d’ aramide (polyamide aromatique).


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Caractéristiques géométriques des fibres de renfort qui déterminent en partie lespropriétés des composites: (a) concentration, (b) taille, (c) forme, (d) répartition ,(e) orientation.

Les propriétés des composites dépendent des propriétés et des proportions deleurs deux phases et de la géométrie de la phase de renfort.

Dans le cas des composites renforcés par des fibres, l’expression géométrie de laphase de renfort désigne la forme, la taille, la répartition, l’orientation et la

concentration des fibres .


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La matrice: La matrice est l'élément qui lie et maintient les fibres. Elle répartie lesefforts (résistance à la compression ou à la flexion) et assure la protection contrediverses agressions (thermiques, chimiques, chocs,…).

La matrice est généralement homogène et isotrope ; on distingue les matricescéramiques, les matrices métalliques et les matrices organiques. En raison de leurlégèreté et de leur facilite de mise en œuvre, ce sont les matrices organiques quisont actuellement les plus utilisées.


Exemple:

� Composite : association de deux matériaux non miscibles.

� Renforts: fibres.

� Matrice : empêche les fibres de flamber en compression (et en cisaillement)

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Différentes natures de la matrice

Selon la nature des composants, on classe généralement les composites en troisgrandes familles selon la nature de la matrice :

� les composites à matrice organique: les plus utilisés aujourd'hui grâce à leur coûtplus bas permettant une production en série. Les matrices peuvent être despolymères thermoplastiques (polypropylène, polyéthylène, polyamide,...) outhermodurcissables (polyesters insaturés et résines époxydes).

� les composites à matrice céramique: La matrice peut être constituée de carbone,de verre ou de carbures. Ces composites, difficiles à élaborer sont réservés auxapplications de hautes performances, demandant des résistances aux hautestempératures, comme le domaine spatial, aéronautique, nucléaire et militaire.

� les composites à matrice métallique: utilisés pour diverses applications commel'automobile, les loisirs ou encore l'électronique. La matrice métallique estconstituée par exemple d’aluminium, de magnésium, de zinc ou de nickel


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On distingue généralement deux types de composites à matrice organique CMO:

�Les composites à grande diffusion (GD): peu coûteux et représentant près de95% des CMO fabriqués. Les propriétés mécaniques sont plus faibles mais d'un coûtcompatible avec une production en grande série.

�Les composites à haute performance (HP): plus chers mais présentant desqualités mécaniques supérieures, notamment employés dans l'aéronautique, lenautisme, les sports et loisirs.

Matrices des CMO: Sont des résines polymères

� Les thermoplastiques TP: Ils se présentent sous forme solide (granulés,plaques...) et que l'on met en forme en les ramollissant par chauffage, puis en lessolidifiant par refroidissement.

� Les thermodurcissables TD: Ils se présentent sous forme liquide visqueuse et quel'on met en forme en déclenchant une réaction chimique de polymérisation parajout d'un durcisseur, ce qui entraîne une solidification.

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Structure des polymères TP et TD

TP TDLongues molécules linéaires.

Liaisons physiques de faible énergie (liaisons hydrogène ou de Van der Waals)

Ces liaisons se cassent lorsque l'on chauffe le polymère et se rétablissent lorsqu'on le refroidit, de façon réversible

Des molécules en forme de réseaux tridimensionnels.

Liaisons chimiques de forte énergie (liaisons covalentes) établies de manière irréversible lors de la polymérisation.

Les TP sont moins rigides et moins résistants que les TD.Les TP sont plus ductiles que les TD donc résistent mieux à la fissuration.Les TP doivent toujours être portés à haute température pour être mis en forme, les thermodurcissables pas forcément.

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les matrices TD sont plus fréquemment employées que les TP en raison de leurplus grande facilité de mise en forme (il est plus facile d'imprégner des fibresavec un liquide qu'avec des granulés ramollis, et les températures à utiliser sontsouvent plus raisonnables).

Les plus courantes: les résines polyester, peu coûteuses et souvent utilisées dansles applications « grande diffusion », et les résines époxy (ou époxydes), trèsemployées dans les applications « hautes performances ».

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Charges et additifs

Ils sont utilisés pour abaisser le coût de revient du matériau et pour améliorercertaines propriétés mécaniques ou spécifiques (Tenue à la chaleur, tenue auxchocs, …). Ils permettent également de modifier l’aspect ou les caractéristiquesde la matière à laquelle ils sont ajoutés.

Charges:

Leurs rôles est d’améliorer les caractéristiques mécaniques de la résine, dediminuer son coût tout en conservant ses performances.

Les principales charges utilisées sont :

� Microbille en (verre, carbone, époxyde, phénolique, polystyrène, etc. …).� Des poudres ou paillettes métalliques : (cuivre, fer, aluminium, etc. …).� Des particules de carbone (noir de carbone).

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Additifs:

Ils sont nécessaires pour assurer une adhérence suffisante entre le renfort et lamatrice. Les additifs se trouvent en faible quantité et interviennent comme :

� Lubrifiants et agents de démoulage: pour faciliter le façonnage de la résine et deréduire la tendance de la résine à adhérer aux moules.

� Des stabilisants, qui retardent les dégradations dues à l'oxygène, aux UV ouencore à l'ozone.

� Des ignifugeants ou retardateurs de flamme (la plupart des polymères sontinflammables ).

� Des pigments et colorants.

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Type de composite constituants Domaines d’application

Composites à matrice organique:

Papier, cartonPanneaux de particulesPanneaux de fibresToiles enduitesMatériaux d’étanchéitéPneumatiquesStratifiésPlastiques renforcés

Résine/charges/fibres cellulosiquesRésine/copeaux de boisRésine fibre de boisRésines souples/tissusElastomères/bitume/textilesCaoutchouc/toile/acierRésine/charges/fibre de verre, de carbone, etcRésines/microsphères

Imprimerie, emballage, etcMenuiserieBâtimentSports, bâtimentToiture, terrasse, etcAutomobileDomaines multiples

Composites à matrice minérale:

BétonComposite carbone-carboneComposite céramique

Ciment/sable/granulatsCarbone/fibres de carboneCéramique/fibres céramiques

Génie civilAviation, espace, sports, bio-medecine, etcPièces thermo-mécaniques

Composites à matrice métallique Aluminium/fibres de boreAluminium/fibres de carbone

espace

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142

Les classes de propriétés des matériaux


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143

Les différentes classes des matériaux


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